激光切割代替?zhèn)鹘y(tǒng)沖床沖制大型磁軛沖片的可行性分析

楊滿林,仝紅麗

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 前言

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛沖片一般由 2～3mm厚的碳鋼磁軛沖片疊裝而成。在傳統(tǒng)的加工中,磁軛沖片由沖床沖制而成。隨著水輪發(fā)電機(jī)容量的不斷增大,其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸也越來(lái)越大,磁軛沖片的面積和沖制沖片所需要的沖裁力也相應(yīng)地增加。如長(zhǎng)江三峽電站和廣西龍灘電站的 700MW機(jī)組以及溪洛渡電站 770MW機(jī)組的磁軛沖片,其面積已經(jīng)達(dá)到了現(xiàn)有設(shè)備工作臺(tái)面的極限。這就要求更大的沖裁力和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的模具。對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)設(shè)備來(lái)說(shuō),沖制這樣的沖片難度太大,超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)使得設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定,維護(hù)十分困難。鑒于此種情況,必須尋找另外一種合適的加工方法。

2 激光切割特點(diǎn)

激光因具有單色性、相干性和平行性三大特點(diǎn)。激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好,對(duì)加工對(duì)象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大,適用于自動(dòng)化加工。激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備,成為企業(yè)實(shí)行適時(shí)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù),為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。

激光切割技術(shù)是當(dāng)前先進(jìn)的切割方式之一。CO2激光切割是用聚焦鏡將 CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,使激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而形成一定形狀的切縫。通用的 CO2工業(yè)激光源是用電場(chǎng)或高頻振蕩迫使密封在容器內(nèi)的混合氣體處于激發(fā)狀態(tài)并產(chǎn)生受激幅射的單色光。此種光輻射在反射鏡及反射透射鏡之間反覆反射,等積聚到足夠能量后由輸出透鏡射出。它的最大優(yōu)點(diǎn)是由于激光光斑小,能量集中,所以切割的割縫小、無(wú)掛渣、幾乎沒有熱變形,切割面光潔度高。

激光切割關(guān)鍵在激光源。切割厚度大小、切割質(zhì)量?jī)?yōu)劣、切割穩(wěn)定性等都取決于激光源的性能。目前主要的切割設(shè)備激光源都是 CO2激光發(fā)生器,CO2激光切割技術(shù)比其他方法的明顯優(yōu)點(diǎn)是:

(1)切割質(zhì)量好。切口寬度窄(一般為 0.1～0.5mm)、精度高(一般孔中心距誤差 0.1～0.4mm,輪廓尺寸誤差 0.1～0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般 Ra為 12.5～25μm)。

(2)切割速度快、變形小。例如采用 2kW激光功率,8mm厚的碳鋼切割速度為 1.6m/min;2mm厚的不銹鋼切割速度為 3.5m/min,其熱影響區(qū)小,變形極小。

(3)清潔、安全、無(wú)污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。

當(dāng)然就精度和切口表面粗糙度而言,CO2激光切割還不能超過(guò)電加工。就切割厚度而言難以達(dá)到等離子切割的水平。但是 CO2激光切割的顯著優(yōu)點(diǎn)足以取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法,成為廣泛應(yīng)用的先進(jìn)加工方法。

3 CO2激光切割大型電機(jī)磁軛沖片的可行性分析

3.1 成本分析

在電機(jī)磁軛沖片制造中,模具是制約其制造精度和生產(chǎn)進(jìn)度的主要因素。制造一套加工大型磁軛沖片的模具的成本是相當(dāng)昂貴的。CO2激光自動(dòng)切割正好克服了這一因素,不需要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復(fù)雜的沖片,節(jié)省了模具的加工制造,縮短了制造周期,同時(shí)省去了去毛刺工序。還可以根據(jù)激光器功率的大小和所用磁軛材料的特性,將目前 2～3mm磁軛沖片的厚度適當(dāng)增加,以減少?zèng)_片數(shù)量。這對(duì)于電機(jī)制造商來(lái)說(shuō),無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是生產(chǎn)進(jìn)度的安排上都是十分可貴的。激光切割機(jī)在運(yùn)行中消耗的氣體量很大,而且加工速度又有一定的限制。但是綜合分析、比較而言,激光切割具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)成本優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)水電站的狀況,上世紀(jì)生產(chǎn)的水輪發(fā)電機(jī)組大都已進(jìn)入維修、改造階段,在維修和改造中往往只需要更換一小部分磁軛沖片。對(duì)于生產(chǎn)日期久遠(yuǎn)的機(jī)組來(lái)說(shuō),很難找到原來(lái)的模具,或者原來(lái)的模具已無(wú)法在現(xiàn)有的機(jī)床上使用。這時(shí)激光切割技術(shù)就突出地顯示了優(yōu)勢(shì),只需要很小的成本就能既快又省地生產(chǎn)出所需的磁軛沖片。

3.2 靈活性分析

因?yàn)榧す馇懈畈皇苣＞咧圃斓南拗?使得它的加工范圍異常寬廣。例如,在電機(jī)的制造中有各種各樣的板狀零件,每種零件的數(shù)量不多而種類卻很復(fù)雜,就可以在激光切割機(jī)上加工,無(wú)需每種零件都制造專用的模具。利用數(shù)控程序和相應(yīng)的軟件很容易實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜形狀工件的加工,可以應(yīng)用在各種領(lǐng)域,這對(duì)于一個(gè)企業(yè)的快速轉(zhuǎn)產(chǎn)是相當(dāng)有利的。

3.3 環(huán)境分析

傳統(tǒng)沖床加工磁軛沖片,弊端之一就是噪聲太大。而且沖裁力越大,噪聲也隨之增大,對(duì)周圍環(huán)境造成很大影響。由于沖裁力大,沖床工作時(shí)的震動(dòng)十分強(qiáng)烈,不可避免出現(xiàn)機(jī)床漏油現(xiàn)象。不僅造成環(huán)境污染,給設(shè)備維護(hù)也帶來(lái)很大困難。激光切割在這方面的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的,清潔、無(wú)污染,徹底改善了操作者的工作環(huán)境。

3.4 安全性分析

在所有種類的機(jī)床操作中,沖床操作可能是最危險(xiǎn)的了。出現(xiàn)事故的頻率也是最高的。相對(duì)沖床加工磁軛沖片來(lái)說(shuō),激光切割機(jī)采用自動(dòng)上料、自動(dòng)堆放,采用封閉式加工方式,不需要人體進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域,大大降低了事故發(fā)生率。

4 結(jié)語(yǔ)

CO2激光器切割技術(shù)正在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用,在電機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛,國(guó)外正研究開發(fā)更高切割速度和更厚鋼板的切割技術(shù)與裝置。為了滿足電機(jī)制造業(yè)中對(duì)質(zhì)量和生產(chǎn)效率越來(lái)越高的要求,必須重視解決各種關(guān)鍵技術(shù),以使這一技術(shù)給電機(jī)的制造業(yè)帶來(lái)質(zhì)的飛躍。